2. URDF机器人模型构建

任务目标

使用URDF（Unified Robot Description Format）定义一个三自由度机械臂模型，包含基座、三个连杆和三个旋转关节，并在RViz中正确显示该模型。

环境依赖

• Ubuntu 20.04 + ROS Noetic（或Ubuntu 22.04 + ROS 2 Humble，本案例以ROS Noetic为例）
• 安装包：ros-noetic-urdf-tutorial、ros-noetic-joint-state-publisher-gui、ros-noetic-rviz

实现步骤

创建ROS功能包并编写URDF文件。URDF使用XML格式描述机器人的运动学树：<link>定义刚体（含视觉/碰撞几何），<joint>定义连杆间的连接关系与运动类型。

完整URDF代码

创建文件 arm.urdf，内容如下：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="three_dof_arm">
  <!-- 基座 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry><box size="0.1 0.1 0.05"/></geometry>
      <origin xyz="0 0 0.025"/>
    </visual>
  </link>

  <!-- 关节1：基座到连杆1，绕Z轴旋转 -->
  <joint name="joint1" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="link1"/>
    <origin xyz="0 0 0.05"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit lower="-3.14" upper="3.14" effort="10" velocity="1.0"/>
  </joint>

  <link name="link1">
    <visual>
      <geometry><cylinder radius="0.02" length="0.2"/></geometry>
      <origin xyz="0 0 0.1"/>
    </visual>
  </link>

  <!-- 关节2：连杆1到连杆2，绕Y轴旋转 -->
  <joint name="joint2" type="revolute">
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>
    <origin xyz="0 0 0.2"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
    <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1.0"/>
  </joint>

  <link name="link2">
    <visual>
      <geometry><cylinder radius="0.02" length="0.2"/></geometry>
      <origin xyz="0 0 0.1"/>
    </visual>
  </link>

  <!-- 关节3：连杆2到连杆3，绕Y轴旋转 -->
  <joint name="joint3" type="revolute">
    <parent link="link2"/>
    <child link="link3"/>
    <origin xyz="0 0 0.2"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
    <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1.0"/>
  </joint>

  <link name="link3">
    <visual>
      <geometry><sphere radius="0.03"/></geometry>
      <origin xyz="0 0 0.03"/>
    </visual>
  </link>
</robot>

运行与验证

在终端中依次执行以下命令（需先 source /opt/ros/noetic/setup.bash）：

# 启动URDF模型显示（自动加载RViz）
roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=arm.urdf

若需手动调整关节角度，另开终端运行：

rosrun joint_state_publisher_gui joint_state_publisher_gui

通过条件

• RViz窗口中出现机械臂模型，基座为长方体，连杆1/2为圆柱体，末端为球体。
• 拖动GUI中的关节滑条（joint1~joint3），机械臂各连杆应绕对应轴实时转动，且连杆间无分离或错位。
• RViz左侧的RobotModel显示绿色（表示URDF解析成功，无缺失link/joint）。

常见问题

• 模型不显示：检查终端是否有URDF解析报错，确认model:=后路径正确。
• 关节无法转动：确认joint_state_publisher_gui已启动，且RViz中Fixed Frame设为base_link。
• 连杆错位：检查<origin>的xyz值是否与父子link的几何尺寸匹配（子link的origin是相对父link的偏移）。